林一楠 ，何 昆 ，錢 凱

（1.浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020；2.浙江省海洋規(guī)劃設(shè)計研究院，浙江 杭州 310020；3.浙江省河口海岸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310020）

1 問題的提出

在河工模型試驗(yàn)中，涉水構(gòu)筑物需在原型設(shè)計基礎(chǔ)上經(jīng)比尺縮放再進(jìn)行試驗(yàn)研究，工程建設(shè)的影響與構(gòu)筑物阻水作用息息相關(guān)。對于大橋、碼頭工程中支撐荷載平臺的圓柱鉆孔樁而言，流體繞其流動所引起的壓強(qiáng)差和摩擦切應(yīng)力將造成繞流阻力，繞流阻力與樁群的阻力系數(shù)直接相關(guān)。根據(jù)Catalano P[1]獲取的單樁水流阻力系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系（見圖1）可知，圓柱體所受阻力系數(shù)隨雷諾數(shù)不同而發(fā)生變化。在實(shí)際河流中橋墩承臺鉆孔樁雷諾數(shù)介于1×105～ 1×106，而在整體河工模型中由于比尺效應(yīng)，雷諾數(shù)為100 ～ 3 000，因此模型與原型的阻力系數(shù)相去甚遠(yuǎn)。

圖1 單樁雷諾數(shù)和阻力系數(shù)關(guān)系圖

2 橋墩樁群阻力水槽試驗(yàn)

根據(jù)河工模型試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，模型樁群用直徑5 mm的鐵絲制作具有較好的耐用性，且制作工序簡單，能有效降低模型制作成本，因此本次試驗(yàn)對5 mm鐵絲制作的常用模型樁群設(shè)計方案（樁群按矩形陣列排布，樁距和樁徑比值為2）進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)在長50.0 m，寬1.2 m的循環(huán)水槽中進(jìn)行，水槽兩端均裝有變頻器和水泵，通過調(diào)整變頻器頻率使試驗(yàn)段水深和流速達(dá)到試驗(yàn)要求，試驗(yàn)裝置布置見圖2。據(jù)以往研究經(jīng)驗(yàn)[2-4]，試驗(yàn)裝置按如下方式布置:模型橋墩與測力傳感器連接后固定于水槽中，模型樁與水槽底部盡量貼近但不接觸，測力傳感器所得的力即為模型樁群的繞流阻力，試驗(yàn)測力裝置實(shí)際安裝情況見圖3。

圖2 試驗(yàn)裝置布置圖

圖3 測力裝置安裝圖

由于樁群的阻水效果在漲急和落急流速較大的時刻更為明顯，工程區(qū)域漲、落急最大流速可達(dá)2.0 m/s，漲、落急時刻水深10 m左右，經(jīng)比尺換算選擇水深10 cm，流速為20 cm/s的恒定流作為水槽試驗(yàn)條件，在此條件下測量模型樁群繞流阻力。分別對垂直水流方向樁數(shù)m = 2 ～ 5根，沿水流方向樁數(shù)3 ～ 8根的矩形排布樁群進(jìn)行試驗(yàn)，各方案水流阻力成果見表1，繞流阻力隨m，n變化趨勢見圖4。

表1 樁群阻力試驗(yàn)值表

圖4 繞流阻力變化趨勢圖

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，樁群繞流阻力隨m和n的增大而增大，但由于沿水流方向上樁數(shù)增加不影響樁群阻水面積，樁柱之間的隱蔽效應(yīng)使樁群總阻力隨n的增加變化不明顯，而垂直水流方向的樁數(shù)直接影響到樁群阻水面積，因此樁群的總阻力隨m的增加變化更明顯。

3 橋墩樁基概化實(shí)例

以杭州灣鐵路橋整體物理模型為例，模型平面比尺1 000，垂直比尺100，主墩原型樁臺長70.2 m，寬49.4 m，共布有10排76根樁，鉆孔樁樁徑d均為2.5 m，橫向縱向樁距s均為6.4 m，鉆孔樁具體布置見圖5。原型航道通航孔附近漲、落急時刻水深約10 m，流速約2.0 m/s，據(jù)此可計算。

圖5 主墩鉆孔樁平面布置圖

根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)研究成果[5]由s/d = 2.56查表得樁遮蔽系數(shù)k2= -0.05，樁群阻力橫向影響系數(shù)近似取為k2= 1。根據(jù)趙萌[6]等人對高雷諾數(shù)下有限長圓柱樁的阻力特性研究可知原型橋墩單樁阻力系數(shù)Cdp= 0.45，沿水流方向樁數(shù)n =10，垂直水流方向樁數(shù)m = 8，橋墩樁群總阻力系數(shù):

計算得原型樁群總繞流阻力:

根據(jù)水槽試驗(yàn)成果可知，4根×4根，4根×5根和5根×3根布置的模型樁群阻力與計算值較為接近，由于4根×5根布置的樁群布置形態(tài)與原型樁群更為接近，同時采用影響偏大的布置形式對工程來說是偏安全的，因此以4根×5 根共20根5 mm直徑的鐵絲組成模型碼頭樁群，可基本達(dá)到繞流阻力相似標(biāo)準(zhǔn)，橋墩樁群概化后形式見圖6。

圖6 杭州灣鐵路橋主墩模型概化圖

4 結(jié) 論

（1）本文通過水槽模型試驗(yàn)測量幾種常用模型橋墩樁基排列形式在水深10 cm，流速20 cm/s條件下所受的繞流阻力。由試驗(yàn)結(jié)果可知，樁群在垂直水流方向上樁數(shù)的增加直接影響阻水面積，因此樁群繞流阻力受垂直水流方向的樁數(shù)影響更明顯，而在沿水流方向上的樁數(shù)增加由于隱蔽效應(yīng)繞流阻力增大相對較小。

（2）以杭州灣跨海鐵路橋主橋墩為例，對模型橋墩鉆孔樁群進(jìn)行概化，選擇繞流阻力、阻水面積和樁群形態(tài)和原型較為接近的4根×5根樁群作為模型樁群。樁群的概化一方面便于采購模型材料，增強(qiáng)模型制作的可操作性，另一方面使模型橋墩基本達(dá)到阻力相似條件，提高模型試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。